УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК A61B8/14 

Изобретение относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинского диагностического контроля.

Известно устройство диагностического ультразвукового (УЗ) контроля, содержащее персональный компьютер, пьезопреобразователи, узлы передатчика, приемника, фокусировки, АЦП [I]. Однако это устройство имеет ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия режима доплеровского контроля.

Наиболее близким техническим решением является УЗ- диагностическое устройство [2], содержащее первый и второй блоки пьезодатчиков, персональный компьютер в штатной конфигурации, информационная шина которого соединена с информационной шиной функциональной клавиатуры, блоком идентификации, с первым коммутатором перестройки каналов, блоком формирования зондирующего импульса, блоком пространственной коммутации, блоком коррекции по зонам глубины, блоком фокусировки эхосигнала, блоком формирования видеосигнала, блоком цифрового преобразования экранной информации, блоком синхронизации, блоком селекции зоны фокусировки, блоком обработки информации, вход которого соединен с выходом блока цифровой обработки экранной информации, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока селекции зоны фокусировки и с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого соединен с первым входом блока формирования зондирующего импульса, выход которого соединен с первым входом блока пространственной коммутации, второй вход которого соединен с первым выходом блока коррекции по зонам глубины, второй выход которого соединен с первым входом блока фокусировки эхосигналов, второй вход которого соединен с выходом блока пространственной коммутации, первый выход блока фокусировки эхосигналов соединен с первым входом блока формирования видеосигнала, первый и второй входы блока идентификации соединены соответственно с выходами второго и первого блоков пьезодатчиков, вторая информационная шина которого соединена с первым коммутатором перестройки каналов, третья информационная шина которого соединена со второй информационной шиной блока пространственной коммутации.

Эта установка представляет собой конструктивно законченное устройство, цель которого диагностический контроль внутренних органов человека.

Недостатком этого аппарата является высокая стоимость и ограниченные функциональные возможности вследствие отсутствия в них доплеровского канала, что затрудняет использование аппарата для диагностики сердечных и сосудистых заболеваний.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей при существенном сокращении аппаратной реализации.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый и второй блоки пьезодатчиков, персональный компьютер в штатной конфигурации, информационная шина которого соединена с информационной шиной функциональной клавиатуры, блоком идентификации, первым коммутатором перестройки каналов, блоком формирования зондирующего импульса, блоком пространственной коммутации, блоком коррекции по зонам глубины, блоком фокусировки эхосигнала, блоком формирования видеосигнала, блоком цифрового преобразования экранной информации, блоком синхронизации, блоком селекции зоны фокусировки, блоком обработки информации, вход которого соединен с выходом блока цифровой обработки экранной информации, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока селекции зоны фокусировки и с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого соединен с первым входом блока формирования зондирующего импульса, выход которого соединен с первым входом блока пространственной коммутации, второй вход которого соединен с первым выходом блока коррекции по зонам глубины, второй выход которого соединен с первым входом блока фокусировки эхосигналов, второй вход которого соединен с выходом блока пространственной коммутации, первый выход блока фокусировки эхосигналов соединен с первым входом блока формирования видеосигнала, первый и второй входы блока идентификации соединены соответственно с выходами второго и первого блоков пьезодатчиков, вторая информационная шина которого соединена с первым коммутатором перестройки каналов, третья информационная шина которого соединена со второй информационной шиной блока пространственной коммутации, дополнительно введен второй коммутатор перестройки каналов, а в состав персонального компьютера через его PCI шину введены блок управления параметрами видеосигнала и блок формирования доплеровского сигнала, первый, второй и третий входы которого соответственно соединены с выходом блока идентификации, со вторым выходом блока фокусировки эхосигналов, с первым выходом блока управления параметрами видеосигнала, второй и третий выходы которого соответственно соединены со вторым входом блока формирования видеосигнала и со вторым входом блока формирования зондирующего импульса, вторая информационная шина второго блока пьезодатчиков соединена со вторым коммутатором перестройки каналов, третья информационная шина которого соединена со второй шиной блока пространственной коммутации.

При этом блок управления параметрами видеосигнала содержит реконфигурируемый структурный модуль, контроллер PCI шины, соединенный с информационной шиной блока, программатор, генератор, выход которого соединен с делителем частоты и первым выходом блока цифроаналогового преобразователя, первый выход которого образует второй выход блока, аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом аналогового перемножителя, вход которого соединен со вторым выходом цифроаналогового преобразователя, информационная шина реконфигурируемого модуля соединена с третьим выходом блока, со входом цифроаналогового преобразователя, со входом аналого-цифрового преобразователя, с выходом делителя частоты и с контроллером PCI шины.

При этом первый и второй коммутаторы перестройки каналов содержат m ключевых схем и модуль организации структуры коммутатора, выполненный на основе структурно- реконфигурируемой схемы, информационная шина которого соединена с первой информационной шиной блока, вторая информационная шина которого соединена со вторыми входами ключевых схем, третьи входы которых, соединенные в комбинацию из n выходных шин, образуют третью информационную шину блока.

При этом блок формирования доплеровского сигнала содержит модуль выборки и хранения, выполненный в виде структурно-реконфигурируемой схемы, информационная шина которого является входом шины персонального компьютера, частотный детектор, первый и второй передатчик, соединенные с соответствующими входами аналогового мультиплексора, третий и четвертый входы которого соответственно соединены с информационной шиной модуля выборки и хранения и с выходом строб-каскада, выход аналогового мультиплексора соединен с первым входом частотного детектора, выход которого соединен со входом программно-управляемого фильтра, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, выход программно-управляемого фильтра соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, информационная шина модуля выборки и хранения соединена со входом строб-каскада, со входом цифроаналогового преобразователя, с выходом аналого-цифрового преобразователя, с первым и вторым входами блока, третий вход которого соединен со вторым входом частотного детектора.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема блока управления параметрами видеосигнала; на фиг.3 - функциональная схема коммутатора перестройки каналов и ее связь с блоком пьезодатчиков; на фиг. 4 - функциональная схема блока формирования доплеровского сигнала; на фиг.5 - функциональная схема блока пространственной коммутации.

Устройство содержит (фиг. 1) персональный компьютер 1, функциональную клавиатуру 2, первый блок пьезодатчиков 3 с пьезодатчиками 3/1...3/m, второй блок пьезодатчиков 4, блок идентификации 5, первый коммутатор перестройки каналов 6, второй коммутатор перестройки каналов 7, блок пространственной коммутации 8, блок формирования зондирующего импульса 9, блок коррекции по зонам глубины 10, блок фокусировки эхосигнала 11, блок формирования видеосигнала 12, блок цифрового преобразования УЗ- информации 13, блок синхронизации 14, блок управления параметрами видеосигнала 15, блок селекции зон фокусировки 16, блок формирования доплеровского сигнала 17, блок обработки информации 18.

Блок управления параметрами видеосигнала 15 (фиг.2) содержит реконфигурируемый структурный модуль 19, цифроаналоговый преобразователь 20, делитель частоты 21, контроллер РС1 шины 22, программатор 23, высокочастотный генератор 24, аналого-цифровой преобразователь 25, аналоговый перемножитель 49.

Первый и второй коммутаторы перестройки каналов 6, 7 (фиг.3) содержат ключевые схемы 26/1. ..26/m, модуль организации структуры коммутаторов 27, шину "прием-передача" 28, адресную шину 29, шину пьезоэлементов 30.

Блок формирования доплеровского сигнала 17 (фиг.4) содержит модуль выборки и хранения 31, строб-каскад 32, аналоговый мультиплексор 33, первый передатчик 34, второй передатчик 35, частотный детектор 36, программно-управляемый фильтр 37, цифроаналоговый преобразователь 38, аналого-цифровой преобразователь 39.

Блок пространственной коммутации 8 (фиг.5) содержит электронные ключи передатчика 40/1...40/n, электронные ключи приемника 41/1...41/n, амплитудные селекторы приемника 42/1...42/n, модуль драйверов УЗ-пьезоэлементов 43, программно перестраиваемую логическую структуру 44, шину формирователя зондирующего импульса 45, шину "прием-передача" 46, шину коррекции по зонам глубины 47, выходную шину эхосигнала 48. Аналоговый перемножитель 49 входит в блок 15 (фиг.2).

Устройство включается в работу как обычный персональный компьютер. После загрузки операционной системы, конфигурирования перестраиваемых логических структур и тестирования врач обращается к одному из двух блоков пьезодатчиков 3, 4. К аппарату одновременно может быть подключено два датчика, и врач имеет возможность производить обследование больного, оперативно через клавиатуру компьютера 2 обращаясь к любому из них. Каждый блок пьезодатчиков снабжен идентификатором 5 в виде двоично-кодированного шифратора, для которого отводится три контакта в подключающем устройстве блоков 3, 4 (не показано). С помощью блока идентификации кодируется информация о датчике, в частности его резонансная частота и конструктивное исполнение (линейный, конвенксный, ректальный и т.п.). Каждый из датчиков содержит линейку m пьезокристаллов, на которые подается импульс возбуждения. Несколько вариантов конструктивного исполнения линейки пьезокристаллов приведены в [5], а также в [6].

Под действием зондирующих импульсов возбуждения происходит преобразование электрических сигналов в акустические. По информации из блока идентификации 5 в блоке формирования зондирующего импульса формируется сигнал определенной длительности. Так, например, для линейного датчика 7,5 мГц длительность сформированного зондирующего импульса составляет 150 нсек, а период следования равен 400 мкс. Кроме того, информация, поступающая из блока идентификации 5, является важной для работы схем электронной фокусировки в блоке 11 и формирования доплеровского сигнала в блоке 17.

Зондирующий импульс поступает на линейку пьезокристаллов с одного из коммутаторов перестройки каналов 6 или 7 (фиг.3). С помощью этих коммутаторов производится электронная фокусировка зондирующего импульса и ответных эхосигналов. Для этого линейка из m пьезокристаллов электронным способом разбивается на секции из n пьезоэлементов. Так, линейка из 128 пьезоэлементов обычно разбивается на 4 секции по 32 элемента, при этом можно получить 96 акустических строк. При одновременном возбуждении группы из n пьезоэлементов синтезируется плоский волновой фронт, протяженность которого соответствует размеру апертуры данной группы элементов. Сформированный акустический пучок можно переместить в следующее положение, возбуждая вторую группу из n пьезоэлементов, частично перекрывающуюся с первой группой. Выборка той или иной группы n пьезоэлементов производится за счет подачи отрицательного управляющего строб-импульса на входы А ключевых схем 26/1...26/m (фиг. 3). В режиме "передача" зондирующий импульс к выбранным пьезоэлементам 3/1. . .3/m поступает по следующей цепи: шина зондирующего импульса 45 (фиг. 5), ключи передатчика 40/1...40/n, шина "прием-передача" 46, такая же шина 28 в блоках 6, 7 (фиг.3), включенные транзисторы Т2, шина 30, пьезоэлементы 3/1. . . 3/m. В пьезоэлементах зондирующий импульс преобразуется в УЗ-пучок, который затем уже в виде эхосигнала, отразившись от акустических неоднородностей, вновь преобразуется в электрический сигнал и поступает в блок фокусировки эхосигнала 11 по следующей цепи: пьезоэлементы 3/1...3/m (фиг.3), шина 30, включенные транзисторы Т2, шина "прием-передача" 28, такая же шина 46 блока 8 (фиг. 5), включенные ключи приемника 41/1...41/n, амплитудные селекторы 42/1. . . 42/n, вход блока фокусировки эхосигнала 11. В конечном счете, в режиме "передача" на линейку 3/1...3/m поступают зондирующие импульсы из блока формирования зондирующего импульса 9, а в режиме "прием" эта же линейка подключается к блоку фокусировки эхосигнала 11.

Разрешающий строб-импульс для ключевых схем 26/1...26/m (вход А) формируется в соответствии с алгоритмом, записанным в модуль организации структуры коммутатора 27. Этот модуль выполнен на основе реконфигурируемой структурной матрицы на микросхеме FLEX 10K фирмы ALTERA [3], эта новейшая элементная база позволяет разместить на одном кристалле цифровые схемы эквивалентные 100000 логических вентилей. С помощью такого модуля можно реализовать как сложнейшие операционные системы, так и память до 4 кбит.

Блок пространственной коммутации 8 (фиг.5) содержит ключи передатчика 40/1. . . 41/n и приемника 41/1...41/п. Все эти ключи имеют выход на пьезоэлементы блока 3, 4. Ключи приемника в этом блоке управляются тоже от структурной матрицы 44 FLEX 10K ALTERA. Ключи передатчика развязаны от выходов структурной матрицы 44 формирователями 43. Формирователи 43 могут выполнены на основе микросхемы EL7212 (сдвоенный драйвер УЗ-преобразователя). Ключи 41 нагружены на схемы амплитудных селекторов приемника 42/1...42/n. Селекторы 42 могут быть выполнены на основе ключевых схем на полевом транзисторе J304. Фактически они выполняют функцию управляемых резисторов, изменяя степень шунтирования выходного эхосигнала. Управление ключами производится пилообразным напряжением, сформированным в блоке коррекции по зонам глубины 10. Назначение блока 10 обеспечить частичную компенсацию затухания сигналов в различных зонах глубины в зависимости от свойств биологической структуры. Уровень принимаемых эхосигналов вследствиеи затухания существенно уменьшается с глубиной. Так, сигнал, получаемый от объекта исследования на глубине 10 см, может быть в 1000 раз меньше по амплитуде, чем сигнал от того же отражателя на глубине 1 см [4 стр.71]. На функциональной клавиатуре 2 имеются движковые регуляторы зоны глубины (не показаны), с помощью которых меняется крутизна пилообразного напряжения, вырабатываемого блоком коррекции по зонам глубины. Этот блок может быть выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, входы которого связаны с компьютерной шиной, а выход - с генератором пилообразного напряжения.

Все n каналов блока пространственной коммутации 8 через свою выходную шину 48 подключаются к блоку фокусировки эхосигналов 11. Блок 11 выполнен в виде матричного коммутатора (не показан), горизонтальные шины которого соединены с n входами блока, а вертикальные шины подключены к выходам линии задержки. Линия задержки может быть выполнена на основе микросхемы ЕР 19825; эта микросхема имеет 10 отводов с дискретностью 10 нсек, т.е. 4 такие последовательно включенные микросхемы обеспечат суммарную задержку в 400 нсек. Именно такой величиной может быть максимальная задержка для электронной фокусировки эхосигнала.

Период следования импульсов синхронизации ограничен предельной глубиной зондирования, которая обычно не превышает 0,2 м. Отсюда период следования синхроимпульса Т_си составит

где D - предельная глубина УЗ-сканирования, равная 0,2 м;
С - скорость распространения УЗ-луча в биоструктурах, равная обычно 1540 м/с,
тогда:

Для формирования экранной информации принимают шаг сканирования акустической сроки, равным 512, тогда время формирования одного скана акустической строки составит

В самом матричном коммутаторе возможно использование матрицы аналоговых переключателей МТ8816, обеспечивающих коммутацию 16-ти горизонтальных шин на семь вертикальных. С помощью 10-ти таких микросхем возможна коммутация любого из 32-х входных каналов к выводам линии задержки с дискретностью 10 нсек, т.е. обеспечивается необходимая задержка эхосигнала в диапазоне от 10 нсек до 400 нсек. Применение линии задержки для электронной фокусировки эхосигнала позволяет в идеале получить выходной сигнал в n раз больше по амплитуде, чем каждый из эхосигналов, проходящий по одной из n входных шин [4 стр. 57]. Управление матричным коммутатором может производиться от такой же стуктурно-реконфигурируемой микросхемы ALTERA FLEX 10K модуля 27 (фиг.3), которая используется в коммутаторах 6 и 7.

В блоке формирования видеосигнала 12 производятся усиление, сжатие динамического диапазона и детектирование эхосигнала, приходящего из блока 11. Кроме того, на блок 12 возложена функция временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ). Линейный усилитель, который может быть использован в блоке 12, должен обладать малыми собственными шумами, высоким коэффициентом усиления и высокой граничной частотой. Типичный динамически диапазон эхосигнала на входе усилителя может составлять 120 дБ, т.е. амплитуда максимального эхосигнала в миллион раз больше амплитуды минимального. В то же время динамический диапазон сигналов, которые могут одновременно отображаться на экране монитора, составляет всего 35-40 дБ, т.е. 60-100 раз по амплитуде. Это противоречие частично компенсируется как за счет введения автоматической регулировки усиления с глубиной, так и за счет сжатия динамического диапазона.

Все эти функции могут быть реализованы при использовании в усилительном каскаде транзисторов КТ3151 на входе матричного коммутатора и транзисторов 2Т368 на выходе линии задержки (СВЧ-транзисторы с нормированным коэффициентом шума). Временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ) может быть реализована с помощью управляемого напряжением аттенюатора (например, с помощью 90-МГц операционного усилителя AD603 фирмы ANALOG DEVICES). Кроме того, на логарифмическом операционном усилителе AD606 этой же фирмы может быть выполнен тракт сжатия динамического диапазона. На этапе детектирования осуществляется выделение огибающей высокочастотного эхосигнала. Это может быть выполнено обычным двух- или однопериодным выпрямителем с последующей сглаживающей фильтрацией (с постоянной времени 1,5 λ).

Так как к аппарату могут быть подключены блоки пьезоэлементов 3 и 4 с различными резонансными частотами, длина волны которых может находиться в пределах от λ, равной 0,44 мм для датчиков с частотой, равной 3.5 МГц, до λ, равной 0,21 мм, для датчиков с частотой, равной 7,5 МГц, то необходимо ввести управление постоянной времени фильтра. Это делается программно в зависимости от применяемого датчика.

Формирование сигнала управления постоянной времени фильтра производится в цифроаналоговом преобразователе 20 блока управления параметрами видеосигнала 15 (фиг.2)
Блок управления параметрами видеосигнала 15 (фиг.2) обеспечивает выполнение четырех наиболее важных функций для измерительных и управляющих систем устройства, а именно аналого-цифровая и цифроаналоговая обработка сигналов, ввод и вывод цифровых сигналов с функциональной клавиатуры 2. Входящий в состав блока реконфигурируемый структурный модуль 19 (FLEX 10 фирмы ALTERA) осуществляет тактирование и синхронизацию АЦП и ЦАП, через встроенное в модуль ОЗУ, организует обмен данных с персональным компьютером, обеспечивает принципиальную возможность перенесения части операций обработки видеосигнала в этот блок, разгружая персональный компьютер. Усиленный и продетектированный видеосигнал с блока 12 поступает на схему аналогового перемножителя 49 (фиг. 2), где смешивается с сигналом яркости и контрастности. Преобразованный в цифровую форму в АЦП 25 он хранится в регистрах модуля 19. ВЧ-генератор 24 и делитель частоты 21 обеспечивают тактирование и синхронизацию работы АЦП 25 и ЦАП 20, а также организуют обмен данных с персональным компьютером 1, ПЗУ 23 организует работу интерфейса PCI шины 22.

Основные узлы блока 15 могут быть выполнены на следующей элементной базе: в АЦП 25 может быть использована ИМС AD9280 фирмы ANALOG DEVICES (8-ми битовый АЦП с частотой обновления 135 МГц), в ЦАП 20 могут быть использованы две микросхемы МАХ509 (четыре последовательных 8-ми разрядных АЦП).

Блок формирования доплеровского сигнала 17 (фиг.4) позволяет получить спектральную характеристику скоростей кровотока в сосудах. В частотном детекторе 36 производится выделение доплеровского сдвига частоты. Частотный детектор выполнен по гетеродинной схеме, где принятый из блока фокусировки эхосигнал 11 смешивается с опорным сигналом со смещенной частотой. Опорный сигнал формируется одним из передатчиков 34, 35 и через мультиплексор 33 поступает на вход частотного детектора. В зависимости от глубины исследуемого сосуда аппарат может работать с двумя различными блоками пьезодатчиков 3,4 на 6,5 МГц и на 3,5 Мгц и соответственно с двумя различными несущими частотами 6,57 МГц и 3,285 МГц, которые формируются передатчиками 34, 35. По сигналу из модуля выборки и хранения 31 (FLEX 10K ALTERA) через строб-каскад 32 (драйвер УЗ-преобразователей EL2712) мультиплексором 33 (микросхема ADG409) производится выбор датчика. Доплеровское обследование производится в дуплексном режиме. Включается В-режим (двухмерное изображение), на изображении производится поиск сосуда, курсорная линия устанавливается в нужном направлении по сечению сосуда. После этого включается доплеровский режим. Цифроаналоговый преобразователь 38 (микросхема МАХ509ВСАР) преобразует дискретную информацию о фильтрах в аналоговый сигнал управления фильтром 37. Дело в том, что артефакты (ложные объекты на изображении), возникающие на УЗ-картинке от пульсации стенок сосудов и сердца, мешают наблюдать спектр скоростей кровотока. Программно-управляемый фильтр 37 (микросхема MAX270CWP) подавляет эти мешающие сигналы. Фильтр может быть настроен на одну из частот 0, 50, 100, 200 и 400 Гц. Аналого-цифровой преобразователь 39 (микросхема AD9280) через блок выборки и хранения 31 производит контроль работы схемы фильтрации путем сравнения цифровых значений выбранного фильтра, поступивших на вход ЦАП 38, с преобразованной в цифровой код аналоговой величиной конкретного фильтра. Такое сравнение производится в модуле выборки и хранения 31. Кроме того, в модуле выборки и хранения 31 заложена информация о несущих частотах датчика, периоде повторения импульсных посылок, измерительном объеме и т.д. В этом модуле используется структурно-реконфигурируемая микросхема FLEX 10 фирмы ALTERA [3].

Блок синхронизации 14 формирует импульсные посылки для блока 9 и синхронизирует работу блока цифрового преобразования экранной информации 13. Блок синхронизации 14 организует формирование пачек зондирующих импульсов для работы в доплеровском режиме и с его же помощью производится выдача не одного, а нескольких (до четырех) зондирующих импульсов при работе в В-режиме. Дело в том, что в доплеровском режиме для увеличения разрешающей способности на отдельных интервалах по глубине необходимо применять короткие импульсные сигналы. Но при этом получается более низкая точность измерения доплеровского сдвига. Это происходит из-за того, что такие сигналы имеют более низкий уровень энергии на фоне шумов и помех. А кроме того, с уменьшением длительности сигнала соответственно расширяется спектр частот, что также затрудняет измерение доплеровских сдвигов частот. Использование пачки коротких импульсов устраняет эти недостатки, поскольку энергия пачки существенно возрастает, а спектр становится более узким. В В-режиме изменение числа зондирующих импульсов позволяет варьировать мощностью излучения. Так, например, при наблюдении на меньших глубинах не нужно переключаться на более высокую частоту датчика, а достаточно снизить мощность излучения. Это может привести к улучшению качества изображения за счет снижения уровня максимальных сигналов. И, наконец, блок синхронизации 14 обеспечивает запуск схем формирования акустической строки и акустического кадра в блоке цифрового преобразования экранной информации 13.

Блок цифрового преобразования экранной информации 13 обеспечивает формирование УЗ изображения на экране монитора. После окончания действия зондирующего импульса производится сканирование акустической строки. Число акустических строк зависит от количества пьезоэлементов в датчиках 3, 4, от числа секций в акустической линейке, а также определяется алгоритмом формирования акустических строк. Для вывода на экран производится сканирование акустической строки. Оптимальным соотношением для вывода на экран монитора является формирование 512 акустических строк и 512 уровней сканирования каждой строки. Для формирования УЗ-изображения в блоке 13 измеряются полярные координаты (глубина и угол) каждого скана, а также его амплитуда. С помощью быстродействующего АЦП информация об амплитуде эхосигнала заносится в память персонального компьютера, здесь же производится пересчет полярных координат скана в координаты X, Y для отображения на экране монитора. Два метода оцифровки УЗ-изображения для вывода на экран монитора описаны в [7].

Подготовленная информация акустического кадра используется для организации работы блока селекции зоны фокусировки 16. В каждом кадре изображения устанавливается один фокус на передачу зондирующего импульса. Качество изображения на различных глубинах зависит от ширины УЗ-луча, которая определяет поперечную разрешающую способность устройства. Наилучшее качество изображения получается, если фокусировка зондирующих импульсов (передатчика) и эхосигналов (приемника) совпадают. Но если относительно легко в режиме динамической фокусировки возможна фокусировка эхосигнала, когда по мере перемещения в глубь излученного УЗ импульса фокус приемного луча дискретно перемещается на ту же величину, то фокусировка передающего луча производится только на одну глубину и больше не перестраивается. Поэтому в каждом кадре УЗ-изображения может быть установлен только один фокус на передачу. Переключая фокус на передачу, можно выбрать нужную зону качественного изображения, когда принятый и отраженный лучи окажутся в фокусе. Чтобы расширить эту зону, изображение делают составным, т.е. состоящим из 2, 3 или 4 фокусов, когда от каждого кадра берется часть изображения в зоне фокуса. Такая "сшивка" кадров производится при формировании акустического изображения в блоке 13.

На блок обработки информации 18 возложены некоторые сервисные функции, такие как измерение расстояний, площадей, объемов, формирование протоколов обследования. Кроме того, этот блок организует работу аппарата в режиме кинопамяти и запоминания изображений. Все эти функции выполняются с помощью персонального компьютера 1 и функциональной клавиатуры 2.

Применение в наиболее функционально важных блоках структурно-реконфигурируемой 208-выводной микросхемы FLEX 10K ALTERA позволило существенно упростить аппаратную реализацию устройства и повысить потребительские качества установки за счет передачи этим элементам многих сугубо специализированных операций, как то: мультиплексирование эхосигнала, управление и синхронизация прецизионных АЦП и ЦАП и т.д. Отличительной особенностью этой микросхемы является то, что с ее помощью с минимальными временными и материальными затратами можно создавать сложные, отвечающие заданным критериям качества, цифровые устройства [3]. Микросхема имеет программируемую пользователем внутреннюю структуру, встроенную память на 40960 бит и ориентирована на аппаратную реализацию самых разнообразных алгоритмов управления и обработки данных. Микросхема может устойчиво работать на частоте до 450 МГц. Применение таких микросхем позволило существенно разгрузить персональный компьютер, оставив ему многие чисто вычислительные функции, как то: многократные вычисления преобразования Фурье для оценки спектров эхосигналов в доплеровских измерениях, интерполяцию промежуточных значений эхосигналов, когда для упрощения аппаратной реализации в память персонального компьютера вводится 256 сканов вместо 512, что позволяет снизить требования по граничной частоте мультиплексоров и АЦП, а также повысить их помехозащищенность.

В предложенном техническом решении по сравнению с прототипом [2] существенно упрощена техническая реализация устройства и в то же время расширены его функциональные возможности. Так, в ранее выпускавшейся установке ЭХОДИАСКАН УУДС-01 кроме компьютера было два специализированных контроллера и 150 наименований микросхем стоимостью в 9 тыс. долларов.

В опытной установке с использованием этого технического решения исключены специализированные контроллеры, а общая номенклатура микросхем снижена до 60 наименований. Соответственно стоимость этой элементной базы снижена до 1 тыс. долларов.

Применение в заявленном устройстве второго коммутатора перестройки каналов позволило существенно повысить надежность устройства за счет исключения 96 канального релейного коммутатора, выполненного на прецизионных и дорогих релейных соединителях TQ2-L-12v фирмы SDC.

В конечном счете, все это позволило более чем в 2 раза снизить стоимость аппарата, установив продажную цену его на уровне 20 тыс. долларов. Это резко повысило конкурентоспособность устройства по сравнению с иностранными аналогами такого класса.

Решением комиссии Минздрава РФ (протокол 3 от 10.04.2001) проведены успешные медико-технические испытания трех опытных образцов аппарата (акт 01-24-22/01).

В настоящее время аппараты проходят клинические испытания в трех рекомендованных Минздравом РФ клиниках г. Москвы.

Источники информации
1. Ультразвуковая установка диагностического контроля ЭХОСКАН-10 АСПИ. 941217.010.

2. Ультразвуковая установка диагностического контроля ЭХОДИАСКАН УУДС-01. Сертификат соответствия РОСС RU.HM04.A01757.

3. Каспин А.И. и др. Методические материалы по зарубежным интегральным микросхемам, применяемым в составе изделия "ЭХОДИАСКАН УУДС-02". На правах рукописи. Москва, ГУП НПО КП, 2000г., стр.88.

4. Осипов Л. В. Ультразвуковые диагностические приборы, изд. ВИДАР, Москва, 1999г.

5. Новиков Ю.А. Исследование путей построения сканирующих систем различного назначения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2000г., стр.43.

6. Патент РФ 2121241. Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления
7. Цифровые преобразователи УЗ-изображения для медицинской диагностики. ТИИЭР - труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектроники. Том 67 4, апрель 1979 г., пер. с англ. -М.: Мир, стр.251.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинского диагностического контроля. Устройство содержит персональный компьютер, блоки пьезодатчиков, коммутатор перестройки каналов, блок электронной фокусировки зондирующего импульса эхосигнала, блок формирования экранной информации, блок обработки информации. В устройство введен второй коммутатор перестройки каналов, а в состав персонального компьютера - программно и аппаратно совмещенный с ним блок доплеровского канала и блок управления параметрами видеосигнала. Устройство использует в основных функционально значимых блоках реконфигурируемый структурный модуль. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности и упростить техническую реализацию устройства. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ультразвуковое диагностическое устройство, содержащее первый и второй блоки пьезодатчиков, персональный компьютер, информационная шина которого соединена с информационной шиной функциональной клавиатуры, блоком идентификации, первым коммутатором перестройки каналов, блоком формирования зондирующего импульса, блоком пространственной коммутации, блоком коррекции по зонам глубины, блоком фокусировки эхосигнала, блоком формирования видеосигнала, блоком цифрового преобразования экранной информации, блоком синхронизации, блоком селекции зоны фокусировки, блоком обработки информации, вход которого соединен с выходом блока цифровой обработки экранной информации, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока селекции зоны фокусировки и с первым выходом блока синхронизации, второй выход которого соединен с первым входом блока формирования зондирующего импульса, выход которого соединен с первым входом блока пространственной коммутации, второй вход которого соединен с первым выходом блока коррекции по зонам глубины, второй выход которого соединен с первым входом блока фокусировки эхосигнала, второй вход которого шиной эхосигнала соединен с выходом блока пространственной коммутации, первый выход блока фокусировки эхосигнала соединен с первым входом блока формирования видеосигнала, первый и второй входы блока идентификации соединены соответственно с выходами второго и первого блоков пьезодатчиков, при этом шина пьезоэлементов соединяет последний с первым коммутатором перестройки каналов, соединенный своей шиной прием-передача с шиной прием-передача блока пространственной коммутации, отличающееся тем, что дополнительно введены второй коммутатор перестройки каналов, в составе персонального компьютера через его PCI шину - блок управления параметрами видеосигнала и блок формирования доплеровского сигнала, первый, второй и третий входы которого соответственно соединены с выходом блока идентификации, со вторым выходом блока фокусировки эхосигнала, с первым выходом блока управления параметрами видеосигнала, второй и третий выходы которого соответственно соединены со вторым входом блока формирования видеосигнала и со вторым входом блока формирования зондирующего импульса, шина пьезоэлементов второго блока пьезодатчиков соединена со вторым коммутатором перестройки каналов соединенного своей шиной прием-передача с шиной прием-передача блока пространственной коммутации.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления параметрами видеосигнала содержит реконфигурируемый структурный модуль, контроллер PCI шины, соединенный с информационной шиной персонального компьютера, высокочастотный генератор, выход которого через делитель частоты соединен с первым входом цифроаналогового преобразователя, первый выход которого является вторым выходом блока управления параметрами видеосигнала, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом аналогового перемножителя, вход которого соединен со вторым выходом цифроаналогового преобразователя, при этом информационная шина реконфигурируемого структурного модуля составляет третий выход блока управления параметрами видеосигнала и соединена со входом цифроаналогового преобразователя, с выходом аналого-цифрового преобразователя, с выходом делителя частоты и с контроллером PCI шины.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в первом и втором коммутаторе перестройки каналов каждый из них содержат m ключевых схем и модуль организации структуры коммутатора, выполненный на основе структурно реконфигурируемой схемы, адресная шина которого соединена с информационной шиной персонального компьютера и соединена с первыми входами ключевых схем, вторые входы которых через шину пьезоэлементов подведены к блокам пьезодатчиков, третьи входы которых, соединенные в комбинацию из n выходных шин, образуют шину прием-передача, подведенную к блоку пространственной коммутации.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования допплеровского сигнала содержит модуль выборки и хранения, выполненный в виде структурно реконфигурируемой схемы, информационная шина которого является входом шины персонального компьютера, частотный детектор, первый и второй передатчик, соединенные с соответствующими входами аналогового мультиплексора, третий и четвертый входы которого соответственно соединены с информационной шиной модуля выборки и хранения и с выходом строб-каскада, выход аналогового мультиплексора соединен с первым входом частотного детектора, выход которого соединен со входом программно управляемого фильтра, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, выход программно управляемого фильтра соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, информационная шина модуля выборки и хранения соединена со входом строб-каскада, со входом цифроаналогового преобразователя, с выходом аналого-цифрового преобразователя, с первым и вторым входами блока, третий вход которого соединен со вторым входом частотного детектора.